[운영체제] IPC(Inter Process Communication)

📌 IPC(Inter Process Communication)

프로세스는 독립적으로 실행된다. 즉, 독립 되어있다는 것은 다른 프로세스에게 영향을 받지 않는다고 말할 수 있다. (스레드는 프로세스 안에서 자원을 공유하므로 영향을 받는다)

이런 독립적 구조를 가진 프로세스 간의 통신을 해야 하는 상황이 있을 것이다. 이를 가능하도록 해주는 것이 바로 IPC 통신이다.

프로세스는 커널이 제공하는 IPC 설비를 이용해 프로세스간 통신을 할 수 있게 된다.

📍 커널이란?

운영체제의 핵심적인 부분으로, 다른 모든 부분에 여러 기본적인 서비스를 제공해줌

IPC 설비 종류도 여러가지가 있다. 필요에 따라 IPC 설비를 선택해서 사용해야 한다.

IPC란
IPC (Inter-Process Communication) - 프로세스 간 통신: 이는 동일한 시스템에서 실행 중인 두 프로세스 또는 스레드 사이에서 데이터를 전송하는 방법을 말합니다. 이는 다양한 형태를 가질 수 있으며, 파이프, 소켓, 메시지 큐, 공유 메모리 등이 포함됩니다.

📍 IPC 종류

1. 익명 PIPE

   파이프는 두 개의 프로세스를 연결하는데 하나의 프로세스는 데이터를 쓰기만 하고, 다른 하나는 데이터를 읽기만 할 수 있다.

   한쪽 방향으로만 통신이 가능한 반이중 통신이라고도 부른다.

   따라서 양쪽으로 모두 송/수신을 하고 싶으면 2개의 파이프를 만들어야 한다.

   매우 간단하게 사용할 수 있는 장점이 있고, 단순한 데이터 흐름을 가질 땐 파이프를 사용하는 것이 효율적이다. 단점으로는 전이중 통신을 위해 2개를 만들어야 할 때는 구현이 복잡해지게 된다.

   반이중 통신

   반이중 통신(Half-Duplex Communication)은 두 기기 간에 양방향 통신이 가능하지만, 한 번에 한 방향으로만 통신이 가능한 방식을 의미합니다. 즉, 한 기기는 한 시점에 전송하거나 수신 중 하나만 할 수 있습니다. 반면에, 전송과 수신이 동시에 이루어지는 통신은 전이중 통신(Full-Duplex Communication)이라고 합니다.

   예를 들어, 워키토키는 대표적인 반이중 통신 기기입니다. 한 사람이 말하고 있으면 다른 사람은 듣기만 할 수 있고, 말하기 위해서는 상대방이 말하는 것을 멈추어야 합니다. 반면에, 일반적인 전화 통화는 전이중 통신으로, 두 사람이 동시에 말하고 들을 수 있습니다.

   반이중 통신은 하드웨어 설계가 간단하고 비용이 덜 들지만, 전이중 통신에 비해 통신 효율이 낮습니다. 그러나 모든 응용 분야에서 동시 양방향 통신이 필요한 것은 아니기 때문에, 특정 상황에서는 반이중 통신이 더 적합할 수 있습니다.

2. Named PIPE(FIFO)

   익명 파이프는 통신할 프로세스를 명확히 알 수 있는 경우에 사용한다. (부모-자식 프로세스 간 통신처럼)

   Named 파이프는 전혀 모르는 상태의 프로세스들 사이 통신에 사용한다.

   즉, 익명 파이프의 확장된 상태로 부모 프로세스와 무관한 다른 프로세스도 통신이 가능한 것 (통신을 위해 이름있는 파일을 사용)

   하지만, Named 파이프 역시 읽기/쓰기 동시에 불가능함. 따라서 전이중 통신을 위해서는 익명 파이프처럼 2개를 만들어야 가능

   
   

3. Message Queue

   입출력 방식은 Named 파이프와 동일함

   다른점은 메시지 큐는 파이프처럼 데이터의 흐름이 아니라 메모리 공간이다.

   사용할 데이터에 번호를 붙이면서 여러 프로세스가 동시에 데이터를 쉽게 다룰 수 있다.

   
   

4. 공유 메모리

   파이프, 메시지 큐가 통신을 이용한 설비라면, 공유 메모리는 데이터 자체를 공유하도록 지원하는 설비다.

   프로세스의 메모리 영역은 독립적으로 가지며 다른 프로세스가 접근하지 못하도록 반드시 보호돼야한다. 하지만 다른 프로세스가 데이터를 사용하도록 해야하는 상황도 필요할 것이다. 파이프를 이용해 통신을 통해 데이터 전달도 가능하지만, 스레드처럼 메모리를 공유하도록 해준다면 더욱 편할 것이다.

   공유 메모리는 프로세스간 메모리 영역을 공유해서 사용할 수 있도록 허용해준다.

   프로세스가 공유 메모리 할당을 커널에 요청하면, 커널은 해당 프로세스에 메모리 공간을 할당해주고 이후 모든 프로세스는 해당 메모리 영역에 접근할 수 있게 된다.

   • 중개자 없이 곧바로 메모리에 접근할 수 있어서 IPC 중에 가장 빠르게 작동함

   
   

5. 메모리 맵

   공유 메모리처럼 메모리를 공유해준다. 메모리 맵은 열린 파일을 메모리에 맵핑시켜서 공유하는 방식이다. (즉 공유 매개체가 파일+메모리)

   주로 파일로 대용량 데이터를 공유해야 할 때 사용한다.

   메모리 맵 파일(memory-mapped file)은 파일의 내용을 메모리에 매핑하여 파일의 일부 또는 전체를 메모리 상에 놓는 기술입니다. 이는 파일 입출력을 더 효율적으로 만들며, 특히 대용량 데이터에 대한 작업 속도를 높일 수 있습니다.

   또한, 메모리 맵 파일은 프로세스 간의 통신(IPC, Inter-Process Communication)에서도 중요한 역할을 합니다. 두 개 이상의 프로세스가 동일한 파일을 메모리에 맵핑하면, 이들은 맵핑된 메모리 영역을 통해 데이터를 공유할 수 있습니다. 이렇게 함으로써, 한 프로세스에서 다른 프로세스로 데이터를 직접 전달할 수 있으며, 이는 디스크에 파일을 읽고 쓰는 것보다 훨씬 빠르게 작동합니다.

   따라서 메모리 맵 파일은 파일 기반의 데이터 공유와 고속 데이터 액세스를 동시에 제공합니다. 이는 데이터베이스, 파일 시스템, 텍스트 검색, 그래픽 등 다양한 응용 분야에서 사용됩니다.

   다만 주의해야 할 점은, 메모리 맵 파일을 사용할 때는 동기화와 관련된 문제에 신경을 써야 한다는 것입니다. 두 개 이상의 프로세스가 동시에 메모리 맵 파일을 수정하려고 할 경우, 데이터의 일관성을 유지하기 위해 적절한 동기화 메커니즘을 사용해야 합니다.

   
   

6. 소켓

   네트워크 소켓 통신을 통해 데이터를 공유한다.

   클라이언트와 서버가 소켓을 통해서 통신하는 구조로, 원격에서 프로세스 간 데이터를 공유할 때 사용한다.

   서버(bind, listen, accept), 클라이언트(connect)

   ✨ 소켓이란?

   소켓(Socket)은 네트워크에서 작동하는 프로그램 간에 데이터를 교환하는 끝점(endpoint)을 의미합니다. 네트워크 어플리케이션은 소켓을 통해 네트워크 프로토콜 스택과 상호 작용하며, 이를 통해 원격 시스템과 데이터를 주고받을 수 있습니다.

   소켓 프로그래밍은 인터넷을 통한 클라이언트-서버 통신에서 핵심적인 개념입니다. 클라이언트는 서버에 연결하기 위해 소켓을 생성하고, 서버 역시 클라이언트의 연결을 수락하기 위해 소켓을 사용합니다. 연결이 수립되면, 클라이언트와 서버는 서로에게 데이터를 전송할 수 있습니다.

   소켓은 주로 두 가지 유형이 있습니다:

   1. TCP 소켓: TCP (Transmission Control Protocol)는 연결 지향적인 프로토콜로, 데이터의 순서와 전달의 신뢰성을 보장합니다. 이는 웹 브라우징, 이메일 전송, 파일 전송 등에 사용됩니다.

   2. UDP 소켓: UDP (User Datagram Protocol)는 비연결형 프로토콜로, TCP보다 빠르지만 순서나 신뢰성을 보장하지 않습니다. 실시간 스트리밍, 온라인 게임 등에서 사용됩니다.

   파이썬에서는 socket 모듈을 통해 소켓 프로그래밍을 할 수 있습니다. 이를 통해 클라이언트-서버 애플리케이션을 구현할 수 있습니다.

이러한 IPC 통신에서 프로세스 간 데이터를 동기화하고 보호하기 위해 세마포어와 뮤텍스를 사용한다. (공유된 자원에 한번에 하나의 프로세스만 접근시킬 때)

출처